Охлаждение полупроводниковых приборов в силовой электронике

July 4, 2013 by admin Комментировать »

Обеспечение приемлемой температуры р-и-переходов в полупроводниковых приборах является важнейшим аспектом обеспечения их надежности. Это довольно просто в стационарном режиме работы, когда максимально допустимые токи указаны в технической документации. Ненамного сложнее определить изменение температуры при включении прибора. В технической документации приводятся переходные тепловыехарактеристики, связывающие увеличение температуры р-и-нерехода по сравнению с температурой корпуса прибора во время воздействия единичного скачка приложенной к нему мощности. Для получения полного теплового сопротивления между р-и-переходом прибора и окружающей средой необходимо сложить тепловое сопротивление р-и-переход—корпус для стационарного режима работы с тепловым сопротивлением корпус—теплоотвод и с тепловым сопротивлением теплоотвод—окружающая среда. Разность тем-

ператур р-га-переход—окружающая среда определяется произведением рассеиваемой мощности на сумму всех этих тепловых сопротивлений.

А вот оценить тепловой режим прибора в случае сложной формы импульсов тока или под воздействием импульсов с различной амплитудой существенно сложнее. Переходные тепловые характеристики в технической документации определяют разность температур мeжду p -n-11epexодом и корпусом только как функцию от воздействия постоянной мощности, поданной на прибор в течение определенного времени, причем сам прибор предполагается установленным на теплоотвод бесконечных размеров, без градиента температуры между корпусом прибора и теплоотводом. Не существует простых аналитических методов объединить переходную тепловую характеристику прибора с переходными тепловыми характеристиками систем корпус—теплоотвод и теплоотвод—окружающая среда. Решение этой задачи может быть найдено при представлении переходных тепловых характеристик как электрических цепей с различными элементами, моделирующими пути прохождения тепла.

В середине 19-го века Оливер Хевисайд (Oliver Heaviside) показал, что линейный поток тепла при теплопроводности может быть представлен распределенной цепью, состоящей из последовательных резисторов и параллельных конденсаторов. Если постоянный поток тепла подан на один конец такой бесконечно длинной цепи, его температура будет возрастать пропорционально квадратному корню времени. В противоположность LCлиниям для RC-линий нет ни скорости распространения, ни эффекта отражения энергии. Воздействие током на один конец RC-линии вызывает немедленный отклик на другом конце, только очень и очень ослабленный. Позже В. E. Ньюэл (W. E. Newell) из «Вестингауз Ресерч Лабораториз» (Westinghouse Research Laboratories) в серии публикаций IEEE проанализировал множество электрических цепей, где показал, что переходные тепловые процессы в полупроводниковых приборах могут быть представлены серией асимптотических откликов ЯС-элементов. Далее, для любых сложных тепловых воздействий на входе отклик может быть получен путем разделения входного воздействия на ряд отдельных импульсов, нахождения отклика на каждый из них и суммирования результатов. Это требует использования интегралов свертки, и еще возникают вопросы с представлением дополнительных тепловых элементов, каковыми являются токопроводящие шины и теплоотводы. Автор, столкнувшись с необходимостью оценить асимметричную систему охлаждения большого тиристора, имевшего форму хоккейной шайбы со сложной формой тока через него, предложил представлять весь путь тепла от р-и-перехода до воздуха посредством набора ЛС-элементов, образующих цепь. Этот подход справедлив и для других полупроводниковых приборов.

Передача тепла от р-и-перехода до корпуса в полупроводниковых приборах происходит посредством теплопроводности, хотя границы раздела между разными материалами в конструкции препятствуют потоку тепла быть чисто диффузионным. Для большинства тиристоров, при сборке которых используется твердый припой, переходная тепловая характеристика растет со скоростью, немного меньшей, чем tl/2. Для отображения тепловой переходной характеристики с минимальными погрешностями требуется набор ЛС-элементов. Минимальное их число — один элемент плюс по одному элементу на каждую декаду времени, причем конденсатор располагается со стороны р-и-перехода, азаканчивается цепь резистором. Выбранная эквивалентная цепь должна совпадать с переходной тепловой характеристикой вплоть до самых малых интервалов времени, представляющих интерес. Если минимальная длительность импульсов тока ЮОмс, то самое меньшее время, вызывающее беспокойство в части нагревар-и-перехода, равно Юмкс, хотя энергия, выделяющаяся при восстановлении, может потребовать и отдельного обсуждения. Сумма резисторов в эквивалентной цепи должна быть равна стационарному тепловому сопротивлению, а конденсаторы подбираются опытным путем, причем их емкость должна увеличиваться при удалении от конца цепи, соответствующего pи-переходу. Совершенство совпадения эквивалентной электрической модели с реальной тепловой картиной можно проверить, подав на ее вход, соответствующий р-и-переходу, скачок тока в 1 А. Изменение напряжения на входе должно во времени повторить реальную переходную тепловую характеристику.

Дополнительное ограничение связано с необходимостью обеспечения отклонения друг от друга кривых с разомкнутым выходом от кривых с замкнутым выходом в зоне максимального изменения их кривизны. Цепь, отвечающая этим двум условиям, и будет приемлемой аппроксимацией к переходной характеристике в условиях с разомкнутым и замкнутым выходом. Тепловое сопротивление корпус—теплоотвод может быть добавлено как резистор к выходу цепи. Переходная тепловаяхарактеристика теплоотвода может быть создана аналогичным путем, хотя для моделирования может хватить одного RC-звена из входного конденсатора и шунтирующего резистора, эквивалентного стационарному тепловому сопротивлению. Эти цепи могут затем быть соединены последовательно, чтобы получить общую тепловую переходную характеристику. На вход можно подать любую функцию зависимости энергии от времени в форме тока и получить эквивалентный температурный отклик в форме напряжения. Элементы схемы могут быть рассчитаны методами численного расчета.

Если тиристоры имеют асимметричную систему охлаждения с двух сторон корпуса, имеющего форму хоккейной шайбы, то следует использовать две эквивалентные электрические схемы, моделирующие два направления движения тепловых потоков от р-и-перехода. Вместо двух параллельно соединенных входных конденсаторов можно использовать один, соответствующей емкости.

Далее мы рассмотрим пример использования описанной выше методики для тиристора диаметром 125 мм, предназначенного для использования в преобразователе с повторяющимися импульсами тока.

На Рис. 15.3 приведена переходная тепловая характеристика этого тиристора и отклик цепи, приведенной на Рис. 15.4 (вверху). Переходная тепловая характеристика, представленная изготовителем, показана точками, а отклики электрической модели в режимах короткого замыкания и холостого хода — сплошными линиями. При построении кривых отклика номиналы резисторов были равны 1/2 от указанных на Рис. 15.4, а номиналы конденсаторов — в 2 раза больше, в связи с тем что отвод тепла от pи-перехода тиристора осуществляется в две стороны. Однако в реальности отвод тепла асимметричен, так как к теплоотводу прижата только одна его сторона. Поэтому на Рис. 15.4 еще приведены модели медной шины и теплоотвода.

Рис. 15.3. Переходная тепловаяхарактеристика тиристора и откликиэлектрическоймодели

Рис. 15.4. Различные элементы электрической модели тепловьа процессов в тиристоре

Тиристор в импульсном режиме проводит линейно нарастающий ток, который за время 1 с достигает 5000 А, а затем мгновенно спадает до нуля. Период повторения этого процесса 10c. Расчет мощности выполняется с использованием данных о зависимости прямого падения напряжения от тока, приведенного в технической документации. Тиристор смонтирован между двумя медными шинами, одна из которых расположена между тиристором и теплоотводом. На вход модели, изображенной на Рис. 15.5, подавался ток, по форме совпадающий с мощностью, выделявшейся на тиристоре.

Рис. 15.5. Полпая электрическая модель тепловых процессов в тиристоре

На Рис. 15.6 показаны графики зависимости температуры р-и-перехода от времени при подаче одиночного импульса и серии из десяти импульсов. Хотя показаны зависимости изменения температуры р-я-перехода, модель позволяет определить изменения температур и других частей системы охлаждения, например поверхности корпуса тиристора или теплоотвода. Во всех точках схемы, находящихся снаружи тиристора, напряжение при переходном процессе отображает температуру.

Рис. 15.6. Зависимости температуры р-п-перехода от времени при подаче одиночного импульса и серии из десяти импульсов

Монтаж полупроводниковых приборов

Для всех полупроводниковых приборов требуется плоская монтажная поверхность. В соответствии с общепринятыми стандартами плоскостность должна быть не хуже 0.0005 дюймов/дюйм (0.005 мм/см), а шероховатость не более 32 микродюймов (0.8xl0~3 мм). Поверхность должна быть перед монтажом очищена тонкой стальной щеткой от загрязнений и окислов. В соответствии с рекомендациями изготовителей полупроводниковых приборов монтажная поверхность должна быть покрыта слоем теплопроводящей пасты. При этом слой пасты должен быть по возможности тонким и гладким.

Диоды и тиристоры в корпусах, имеющих форму шайбы, крепятся к теплоотводам специальными зажимами, обеспечивающими требуемое контактное усилие. В некоторых из этих зажимов используются измерительные устройства, индицирующие требуемое давление, а в других применяются специальные тарельчатые шайбы с нормированным усилием деформации. Следует обращать внимание на равномерность распределения давления, оказываемого зажимами на корпуса монтируемых приборов. Для этого обычно слегка завинчивают все гайки на болтах крепления за-

жима, а их затяжку производят поочередно, на пол-оборота каждую, до достижения требуемого усилия прижатия монтируемого прибора.

IGBT-транзисторы обычно имеют пластмассовые корпуса с металлической пластиной для монтажа и теплоотвода. И в этом случае теплопроводящую пасту следует употреблять экономно, а монтажные болты должны быть туго затянуты.

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты